考虑桩-土-结构相互作用的桥梁桩基地震反应有限元分析

地震荷载作用下桩-土-结构相互作用问题在桥梁抗震研究中越来越受到重视。本文结合工程实例,利用有限元仿真软件ADINA,建立桩-土-结构相互作用的有限元实体分析模型。选取三种时程波作为地震荷载,对在地震作用下桩-土-结构相互作用对桩的沉降位移,桩侧摩阻力和有效应力的影响进行了分析研究,对桩基设计提出了较为合理的建议。     

Seismic response of pile foundations in liquefiable soil: parametric study

The performance of pile foundations in liquefiable soil subjected to earthquake loading is a very complex process. The strength and stiffness of the soil decrease due to the increase in pore pressure. The pile can be seriously destroyed by the soil liquefaction during strong earthquakes. This paper presents the response of vertical piles in liquefiable soil under seismic loads. A finite difference model, known as fast Lagrangian analysis of continua, is used to study the pile behavior considering a nonlinear constitutive model for soil liquefaction and pile?Csoil interaction. The maximum lateral displacement and maximum pile bending moment are obtained for different pile diameters, earthquake predominant frequencies, Arias intensities, and peak accelerations. It is found that the maximum lateral displacement and the maximum pile bending moment increase when the predominant earthquake frequency value decreases for a given peak acceleration value.     

考虑土-结构相互作用效应和土质地基非线性的核岛厂房结构地震响应分析

有效模拟土一结构相互作用(SSI)和土体非线性特征是进行土质地基条件下核岛厂房结构地震响应分析的关键技术问题。基于SuperFLUSH软件平台,采用等效线性法描述近场地基非线性动力特征,通过在地基有限区域设置黏性人工边界来模拟半无限地基辐射阻尼效应的影响,并利用一维有限元法进行自由场响应分析实现地震动的输入,从而建立土质地基条件核岛厂房结构地震响应分析计算模型。最后,以某土质地基条件下的CPR1000堆型反应堆厂房的集中质量简化模型作为研究对象,开展考虑SSI效应和分层土质地基非线性对于核岛厂房结构地震响应特征影响研究,验证了该计算模型的精度和工程应用效果。研究表明:考虑SSI效应,可有效吸收散射波波动能量,减小结构响应;考虑土质地基非线性效应,加速度幅值在不同方向均有不同程度的降低,峰值频率明显的向低频偏移,因此,同时考虑SSI效应及土质地基的非线性特征,并将两者相结合的分析方法对核岛厂房结构抗震分析是必要的。     

软土地层桥梁群桩基础桩土共同作用性状的非线性有限元分析

通过对某高速铁路特大桥群桩基础进行三维非线性有限元分析,并结合现场试验得出的规律进行相应的对比分析,研究了软土地层桥梁群桩基础桩身轴力、桩侧摩阻力、基底土体附加应力、孔隙水压力分布、超孔隙水压力消散和群桩基础荷载沉降规律。计算结果表明,基桩所承受的轴力,角桩＞边桩＞中心桩,角桩和边桩的轴力沿桩身减小的幅度较大,而中心桩的轴力沿桩身减小的幅度稍小;各基桩桩侧摩阻力的发挥情况,侧摩阻力值总体上呈角桩＞边桩＞中心桩,相对滑移量基本呈上大下小的形态,即桩身上部桩-土之间产生的相对滑移量较中下部要大;外荷载作用下产生的土体附加应力和超孔隙水压力主要集中在承台底以下土体的一定范围内,其衰减梯度沿深度方向逐渐降低,随着固结时间的延长,群桩基础沉降达到稳定。     

夯扩挤密碎石桩加固液化砂土地基的动力数值分析

砂土液化问题一直是土动力学与岩土地震工程研究领域的重要课题之一。基于南水北调中线某工程,通过现场和室内试验获取土体的物理力学参数,利用岩土数值分析软件FLAC3D对夯扩挤密碎石桩加固干渠液化砂土地基进行了动力数值分析。结果表明,由于夯扩挤密碎石桩的排水作用,干渠底部饱和砂土地基中的超静孔隙水压力和孔压比与加固前相比明显减小;干渠渠道底部饱和砂土中的监测曲线表明,随着地震荷载持续时间的增加,饱和砂土地基中超静孔隙水压力和孔压比峰值较加固前大幅值降低,且时程曲线达到峰值之后也由加固前的基本保持不变改为迅速消减降低;由于夯扩挤密碎石桩的排水和挤密作用,有效消除了干渠渠道底部以及渠堤坡面外侧平台至坡脚底部砂土层的液化现象,加固后干渠底部饱和砂土地基中没有液化现象产生。     

饱和可液化土中地下结构在震后固结中的响应

饱和可液化土中地下结构在强震作用下会由于土层液化而上浮,从而对地下结构造成破坏。可液化土在地震结束之后,将由于超静孔隙水压力的消散而产生固结变形,而地下结构在土层震后固结过程中的响应是一个值得研究的问题。以地下结构在土层震后固结过程中的垂直位移为重点,应用非线性动力两相体有限元方法研究饱和可液化土和地下结构相互作用体系在地震后土层固结过程中的响应。研究结果表明,地下结构的上浮趋势不会在地震结束时立即结束,而是在土层超静孔隙水压力经过一段时间的重分布及消散以后停止,之后地下结构有一定的沉降位移,但沉降位移远小于上浮位移,因此地下结构在震后会残留向上的垂直位移。文中还讨论了土层的应力路径响应、水压消散过程及截断墙与土层渗透系数对地下结构在震后固结过程中响应的影响,试图讨论饱和可液化土中地下结构在震后固结中响应的机理。     

可液化场地微型桩地震响应特性研究

可液化场地微型桩的地震响应分析是确保工程安全和优化抗震设计的前提。应用动态离心机试验和三维有效应力数值分析方法,研究了微型单桩桩台的侧向变形和加速度、不同埋深桩身弯矩、可液化场地的加速度及超孔隙水压力等响应特征。首先开展了相对密实度为57%饱和土层、输入波是频率为1 Hz和峰值加速度为1.516 m/s2正弦波的微型桩40 g动态地震响应离心机试验,进而应用基于多重剪切机构塑性模型和液化前缘状态面概念的三维有效应力分析方法,反演了试验结果,并进行了对比分析,结果表明,数值模拟与离心机试验结果吻合,液化场地特性控制着建于其中微型桩的地震响应特征,微型桩桩台的水平变形和残余变形可达78、30 mm,桩身最大弯矩和最大残余弯矩呈现向桩身底部迁移特点,同时表明,基于动态土工离心机试验和数值分析相结合的研究方法,分析可液化场地微型桩地震响应特性是有效可行的,研究结论为可液化场地微型桩的抗震设计提供了可靠的依据和参考。     

Seismic behaviour of Delhi metro tunnels in liquefiable deposits

Natural Hazards - Construction of metro transport networks has been on the ascent in Indian cities like New Delhi, since early 2000s. Metro tunnels in New Delhi traverse through various...     

地道桥结构与土相互作用的有限元分析

借助有限元软件ANSYS来分析地道桥结构与土的相互作用,采用三维实体建模方法模拟空间范围内的地道桥结构及其周围土体.分析有无列车荷载等两种不同工况下地道桥结构的位移、应力分布规律以及由其引起的地表沉降和土体的应力变化规律.通过有限元分析可以求出结构和土体的位移、应力峰值及其空间位置,为地道桥结构设计提供可靠的分析依据.     

框架结构-十字交叉条形基础-地基共同作用分析

通过建立框架结构-十字交叉条形基础-地基共同作用的三维力学模型,用大型有限元程序ANSYS模拟分析了土层结构和基础断面型式等因素的变化对共同作用的影响。     

考虑流变与固结效应的桩筏基础-地基共同作用分析

土的流变性与地基固结的综合作用,导致了上部结构与地基变形的时效性,并呈现出明显的非线性,对桩筏基础与地基共同作用的工作机理及其工作性能产生重要影响。为此,采用弹黏塑性流变模型考虑土的流变特性,通过有限元方法数值求解Biot耦合固结方程,对桩筏基础与地基共同作用的时间效应问题进行了非线性数值分析。通过算例计算,对加载后桩筏基础荷载分配和沉降特性及下覆土层中孔隙水压力的扩散和消散规律进行了探讨。研究表明,地基孔隙水压力的增长和消散不仅具有Mandel-Cryer效应,而且依赖于土的流变变形,尤其在排水条件较差时更为明显。因此,在分析桩筏基础内力变形的时效性时必须考虑土的流变性与地基的固结作用的联合效应。     

液化土层地震动模拟计算方法及验证

针对目前土层反应分析方法难以模拟液化土层地震动时程的缺欠,在工程力学研究所原有有效应力分析程序基础上提出了一个改进的计算方法并进行了验证。改进方法中,通过每个应力循环模拟土的非线性进程以及液化导致的土刚度衰减过程,并引入了新建立的适于非均等固结随机地震荷载作用下的孔压增长模型。将计算方法与实际地震记录及大型振动台实验结果进行了对比,结果表明：在峰值加速度、液化后波形变化、时频曲线及加速度反应谱等主要特征上,计算结果均与现场实际记录及振动台实验基本一致;在液化引起地震动特征变化上,计算出的液化较非液化土层加速度反应谱的增量与实验结果一致。说明所提出的改进方法可以用于液化土层地震动的模拟。     

可液化土中地铁结构的地震响应

在饱和土耦合作用与土和结构相互作用理论基础上,以地铁车站为例,用有限元法研究地下结构在地震液化作用下的响应。所采用的软件为动力两相体非线性有限元软件Dyna-Swandyne-II,该软件可以应用先进的Pastor-Zienkiewicz III广义塑性模型模拟可液化土的动力特性,应用u-p形式的Biot方程,在有限元分析中充分考虑孔隙水与土之间的耦合,同时考虑地下结构与饱和土在动力作用下的非线性相互作用。分析了地铁车站的动力响应,包括地铁内力、加速度以及地铁位移。研究结果表明,地铁结构在地震液化作用下会产生较大的上浮,从而对结构造成比较严重的破坏;地铁结构在地震作用下的最大内力位于结构的交接处。因此,结构交接处的配筋应该格外小心。     

可液化地基上地铁车站结构地震反应特征有效应力分析

采用Byrne简化的Martin-Finn振动孔压增量模型描述土体的液化特性,采用Davidenkov黏弹性本构模型描述土体的非线性特性,建立了可液化地基-地铁车站结构非线性静、动力耦合相互作用的二维分析模型,采用动力有效应力分析方法对可液化地基上两层三跨岛式地铁车站结构的地震动反应进行了数值分析,并与动力总应力方法分析的结果进行对比,结果表明：地铁车站结构两侧及底部邻近位置的土体较易液化,地基土的液化对地下结构邻近地表的加速度反应有明显的影响,且在地基土液化的影响下地下结构有明显上浮的趋势,并呈现出中部上凸的变形特征,地下结构的破坏型式为上层顶板和底板两端的受拉破坏、下层底板边跨跨中的上拱弯曲破坏、中柱的受压破坏、侧墙底端的弯曲破坏。     

可液化场地碎石桩复合地基地震动力响应分析

采用砂土液化大变形弹塑性本构模型分析可液化砂土,采用模量随应力与应变变化的等效非线性模型增量形式分析碎石桩,应用FLAC3D有限差分软件对地震动力作用下可液化场地碎石桩复合地基进行三维动力响应分析。模拟分析了在地震作用下碎石桩刚度效应和排水效应对加固处理可液化场地的抗液化效果,从初始小变形到液化后大变形的变形发展,超静孔压累积与消散,及桩与土的变形与应力分配变化等。结果表明,所用模型与方法可合理描述可液化场地碎石桩复合地基在地震作用下场地的动力响应特性和抗液化效果;在地震作用下可液化场地中桩周土体与碎石桩体的竖向应力与水平向剪切应力向碎石桩体集中,竖向有效应力比可降至约1/6～1/3;桩周土体与桩体为非协调变形,剪应变比可达7～10;碎石桩抗液化影响范围约为2.5～3倍桩径,对超过3.5倍桩径范围影响较小;碎石桩与砂土渗透系数比大于100时对降低砂土中超静孔隙水压影响明显;碎石桩对场地的加密效应可显著降低超静孔隙水压力,而碎石桩刚度则对超静孔隙水压力变动影响较小,但有助于减低地面加速度响应峰值。     

Influence of a wall system on the interaction between soil and foundation plates

The paper considers the influence of a building wall system on the interaction between the soil and the foundation plate. A simplified semi-analytical finite element method gives an economical solution for large three-dimensional soil-structure interaction problems. The simplified method appears to be sufficiently accurate for engineering purposes. Numerical results presented show significant influence of building walls on the foundation-plate-soil interaction.     

水平液化场地土表位移简化理论解答

水平液化场地地表往返位移的求解是基础和地下工程抗震设计的迫切需求。利用双层模型模拟实际水平场地,提出了可考虑液化层存在下的土表位移简化计算方法并给出频域理论解答,同时采用逐循环累计方法给出水平场地任意荷载下土表位移时域解答。采用适于水平场地孔压增量模型,并逐循环修正土层模量,模拟液化引起的土层的非线性过程。振动台试验结果和提出棋型的计算结果吻合,验证了所提方法能够反映土体液化对土表位移影响的基本过程。提出的方法和解答物理意义明确,可代表土体液化对土表位移影响的基本形态,并可用于频域及时域的无量纲分析。     

土体冻胀与地基梁相互作用的叠加法研究

根据随机介质的思想,土体冻胀引起的地表隆起近似为正态分布。以上海体育场穿越工程为研究背景,由叠加法基本原理,得出多管冻结冻胀叠加法表达式。将非均布的冻胀荷载简化成多段均布荷载,编制matlab程序求解冻土地基上的弹性地基梁方程,得到冻胀与地基梁（结构）相互作用的位移及接触压力,并用实测数据进行了验证。最后对冻胀与基础梁相互作用的影响因素进行计算分析,得出相互作用的冻胀量随地基梁刚度与外荷载增加而减小、随地基弹性接触系数与自由冻胀量增加而增加。     

可液化场地上三拱立柱式地铁地下车站结构地震反应特性振动台试验研究

开展了近、远场地震动作用下可液化场地上三拱立柱式地铁地下车站结构大型振动台模型试验。分析了模型地基的加速度、孔压、地表震陷及模型结构的加速度、应变。结果表明:模型地基的孔压累积经历了缓发展、急增长两个阶段;模型地基的加速度Arias强度释放时刻与孔压急增长阶段的起点时刻相对应,加速度Arias强度峰值较大的工况,模型地基孔压比峰值也较大;模型地基孔压场分布呈现出小震时模型结构底部液化程度较低、大震时场地底部液化程度较低的现象。强地震动作用下,模型结构发生了显著的上浮;模型地基、模型结构均表现出对低频相对发育的地震动反应更为强烈的现象。强震作用下,浅层可液化土在循环流动过程中发生了由于剪切刚度瞬态突增而导致峰值加速度瞬时急增的现象。模型结构中柱为此类型车站的最不利构件,附拱在与竖向成±(30°~60°)区域内应变反应较大,中庭上拱在45°位置处应变反应较大;随着模型结构拉应变幅值的增加,模型结构自振频率不断衰减。主观测面测点和次观测面测点的拉应变幅值均存在不同程度的差异,模型结构的应变反应存在空间效应。     

上部结构－桩基—地基共同作用数值分析及桩基变刚度调平优化设计

本文采用有限元法对高层建筑上部结构—桩筏基础—地基共同作用及相互影响进行了研究。研究表明:高层建筑上部结构—桩筏基础—地基共同作用及相互影响时,基础总体沉降和差异沉降随楼层的增加呈非线性变化趋势,上部结构中存在次应力,弯矩和轴力比常规法设计偏大;随楼层的增加,桩体对荷载的分担比在减少,土体分担比在增加;随着上部结构刚度的增加,荷载向角桩、边桩集中;增加筏板厚度,能减少一定的差异沉降和基础平均沉降,从而减少上部结构的次应力,提高地基土的荷载分担比,同时筏板下桩顶反力分布更不均匀,因此需要从筏板受力,以及考虑筏下桩、土的受力来综合确定一个合理的筏板厚度,使设计安全经济;随着地基土变形模量的提高,地基土分担的上部荷载增加,桩顶反力趋向平均,筏板最大弯矩逐渐减小。桩筏基础在均匀布桩条件下呈中间大边缘小的“碟型”分布。差异沉降是由于上部结构次生应力和筏板内力产生的。通过对地基土刚度以及桩长、桩径、桩距等五种桩基刚度的调整,并分析不同刚度对基础差异沉降影响可知:改变桩长的布桩形式并结合地基土刚度调整的中心布桩形式是高层建筑桩筏基础最佳设计方案。